一种氮化物外延结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种氮化物外延结构及其制备方法。为解决低温的氮化铝缓冲层虽然可以减少后续形成的氮化铝薄膜龟裂现象及降低其缺陷密度，但无法有效地抑制穿透位错沿着垂直衬底的方向向上传播至接续的氮化铝镓薄膜。先于蓝宝石衬底上形成低温氮化铝缓冲层，然后形成高温氮化铝层。然后于高温氮化铝层之上形成锗掺杂浓度为3E+20cm

【技术实现步骤摘要】
一种氮化物外延结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及化合物半导体紫外光发光二极管
，尤其涉及一种氮化物外延结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]目前单独使用MOCVD方式于蓝宝石衬底上外延成长氮化铝系化合物半导体之深紫外光发光二极管，特别是发光波长在200nm至320nm之间的深紫外光范围。氮化铝单晶薄膜当成蓝宝石衬底与可发深紫外光发光二极管的氮化铝镓结构之间的缓冲层，该氮化铝缓冲层对后续氮化铝镓薄膜深紫外光发光二极管的结构品质影响甚巨，进而对整体发光二极管的发光效率有着关键的决定性作用。由于氮化铝化合物半导体与蓝宝石衬底的晶格常数不匹配及热膨胀系数差异较大，若于该蓝宝石衬底上直接高温外延成长氮化铝化合物半导体薄膜容易产生龟裂及孔洞高的缺陷密度，特别是产生大量穿透位错沿着垂直衬底的方向向上传播，使得氮化铝镓薄膜出现高密度缺陷，进而降低后续深紫外光发光二极管的主动区内部量子效率。为了避免及改善此龟裂及缺陷密度，目前准备该氮化铝缓冲层的技术有以下几种：
[0003]1.先利用一层低温的氮化铝成核层当成与蓝宝石衬底之间的应力缓冲层，接续外延成长高温的氮化铝薄膜。
[0004]2.先利用一层低温的氮化铝成核层当成与蓝宝石衬底之间的应力缓冲层，接续使用连续方式通入三甲基铝前驱物，而后采用脉冲方式通入氨气之外延方法成长第一高温的氮化铝薄膜层，于该第一高温的氮化铝薄膜层之上接续使用同时连续方式通入三甲基铝前驱物及氨气之外延方法成长第二高温的氮化铝薄膜层，重复以上的第一高温的氮化铝薄膜层及第二高温的氮化铝薄膜层。
[0005]3.先于蓝宝石衬底上利用溅射法形成一层氮化铝多晶相薄膜，接续使用1700℃的温度持续1
‑
3小时将该氮化铝多晶相薄膜重新成核而转变为高质量的单晶氮化铝薄膜，接着将该单晶氮化铝薄膜使用MOCVD接续外延成长氮化铝系的结构。
[0006]以上三种方法虽然可以有效地同时解决氮化铝薄膜龟裂现象及降低缺陷密度，但是无法有效地抑制穿透位错沿着垂直衬底的方向向上传播至接续的氮化铝镓薄膜，包含如传播至：N型氮化铝镓(N
‑
AlGaN)、多重量子阱发光主动层(AlGaN/AlGaN MQW)、P型氮化铝镓(P
‑
AlGaN)掺杂Mg及P型氮化镓(P
‑
GaN)。
[0007]所以有其进一步改善氮化铝镓薄膜的结晶质量的必要性，特别是降低其薄膜中的穿透位错向多重量子阱发光主动层方向的传播几率，如此可以降低发光主动层的位错密度，提高内部的量子效率。

技术实现思路

[0008](1)要解决的技术问题
[0009]针对现有技术中的不足，本专利技术提供了一种氮化物外延结构及其制备方法。该方
法旨在解决现有技术准备氮化铝缓冲层虽然可以有效地同时解决氮化铝薄膜龟裂现象及降低缺陷密度，但是无法有效地抑制穿透位错沿着垂直衬底的方向向上传播至接续的氮化铝镓薄膜，降低后续深紫外光发光二极管的主动区内部量子效率问题，该方法于氮化铝薄膜之上加入锗及镓共掺杂的氮化铝薄膜及无掺杂的氮化铝镓薄膜的组合结构能够改变氮化铝薄膜表面的原子极化及晶格堆叠产生的应变特性，使得位错分叉以降低沿垂直氮化铝薄膜方向向上传播的几率，有效降低深紫外光发光二极管的主动发光区的位错密度，提高了紫外LED外延结构的晶体质量从而提高紫外LED的输出功率和使用寿命。另外，接续的氮化铝镓薄膜的无产生更加严重的龟裂现象。
[0010](2)技术方案
[0011]为了克服上述技术问题，本专利技术提供了这样一种氮化物外延结构，所述外延结构包括：
[0012]衬底；
[0013]位于所述衬底表面的具有铝原子极化表面的第一氮化铝薄膜层；
[0014]位于所述具有铝原子极化表面的第一氮化铝薄膜层一侧的锗及镓共掺杂的第二氮化铝薄膜层；
[0015]位于所述锗及镓共掺杂的第二氮化铝薄膜层远离所述具有铝原子极化表面的第一氮化铝薄膜层一侧的第一无掺杂的氮化铝镓薄膜层；
[0016]位于所述第一无掺杂的氮化铝镓Al
a
Ga1‑
a
N薄膜层远离所述具有铝原子极化表面的第一氮化铝薄膜层一侧的第二N型掺杂的氮化铝镓Al
b
Ga1‑
b
N薄膜层；
[0017]所述锗及镓共掺杂的第二氮化铝薄膜层与所述第一无掺杂的氮化铝镓薄膜层交叠生长N个周期形成的超晶格。
[0018]更为优选的是，所述第一无掺杂的氮化铝镓薄膜层的铝组成的比例a为0.5
‑
1。
[0019]更为优选的是，所述超晶格的交叠生长周期N≥1。
[0020]更为优选的是，所述锗及镓共掺杂的第二氮化铝薄膜层的厚度H1为1
‑
5nm，所述第一无掺杂的氮化铝镓薄膜层的厚度H2为1
‑
50nm，且H1≤H2。
[0021]更为优选的是，所述锗及镓共掺杂的第二氮化铝薄膜层中，锗的掺杂浓度D1≥1E+20cm
‑3，镓的掺杂浓度D2≤1E+18cm
‑3，且D1﹥D2。
[0022]更为优选的是，所述形成的超晶格及其上形成的薄膜将远离所述衬底的传递方向上的穿透位错分叉。
[0023]此外本专利技术还提供了一种用于制备上述的氮化物外延结构的方法，具体包括以下步骤：
[0024]S1：将蓝宝石衬底置入MOCVD机台反应腔，并在第一温度700
‑
900℃、反应腔压力40
‑
60Torr下，通入TMAl和NH3反应前驱物，在所述蓝宝石衬底的表面形成厚度为25
‑
50nm的低温AlN；
[0025]S2：在第二温度1250
‑
1300℃，反应腔压力40
‑
60Torr下通入TMAl和NH3反应前驱物，形成厚度大于2μm的高温AlN；
[0026]S3：在第三温度1160
‑
1210℃，反应腔压力40
‑
60Torr下通入TMAl、TMGa、GeH4和NH3反应前驱物，形成Ge掺杂浓度为1E+15cm
‑3～1E+22cm
‑3及Ga掺杂浓度为1E+15cm
‑3～1E+22cm
‑3的共掺杂的AlN，厚度为1nm
‑
5nm；
[0027]S4：关闭所有的反应前驱物，并在15s时间内调整TMAl、TMGa及NH3反应前驱物的流量，形成无掺杂且Al组分恒定的Al
a
Ga1‑
a
N，其中0.5≤a<1，所述无掺杂且Al组分恒定的Al
a
Ga1‑
a
N的厚度为1nm
‑
50nm；
[0028]S5：重复S4中的步骤10次，形成10个周期的Ge及Ga共掺杂的AlN与无掺杂Al
a
Ga1‑
a
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮化物外延结构，其特征在于，所述外延结构包括：衬底；位于所述衬底表面的具有铝原子极化表面的第一氮化铝薄膜层；位于所述具有铝原子极化表面的第一氮化铝薄膜层一侧的锗及镓共掺杂的第二氮化铝薄膜层；位于所述锗及镓共掺杂的第二氮化铝薄膜层远离所述具有铝原子极化表面的第一氮化铝薄膜层一侧的第一无掺杂的氮化铝镓薄膜层；位于所述第一无掺杂的氮化铝镓Al
a
Ga1‑
a
N薄膜层远离所述具有铝原子极化表面的第一氮化铝薄膜层一侧的第二N型掺杂的氮化铝镓Al
b
Ga1‑
b
N薄膜层；所述锗及镓共掺杂的第二氮化铝薄膜层与所述第一无掺杂的氮化铝镓薄膜层交叠生长N个周期形成的超晶格。2.根据权利要求1所述的一种氮化物外延结构，其特征在于，所述第一无掺杂的氮化铝镓薄膜层的铝组成的比例a为0.5
‑
1，所述超晶格的交叠生长周期N≥1。3.根据权利要求1所述的一种氮化物外延结构，其特征在于，所述锗及镓共掺杂的第二氮化铝薄膜层的厚度H1为1
‑
5nm，所述第一无掺杂的氮化铝镓薄膜层的厚度H2为1
‑
50nm，且H1≤H2。4.根据权利要求1所述的一种氮化物外延结构，其特征在于，所述锗及镓共掺杂的第二氮化铝薄膜层中，锗的掺杂浓度D1≥1E+20cm
‑3，镓的掺杂浓度D2≤1E+18cm
‑3，且D1﹥D2。5.根据权利要求2所述的一种氮化物外延结构，其特征在于，所述形成的超晶格及其上形成的薄膜将远离所述衬底的传递方向上的错位分叉。6.一种用于制备权利要求1
‑
5任一项所述的氮化物外延结构的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤一，将蓝宝石衬底置入MOCVD机台反应腔，并在第一温度700
‑
900℃、反应腔压力40
‑
60Torr下，通入TMAl和NH3反应前驱物，在所述蓝宝石衬底的表面形成厚度为25
‑
50nm的低温AlN；步骤二，在第二温度1250
‑
1300℃，反应腔压力40
‑
60Torr下通入TMAl和NH3反应前驱物，形成厚度大于2μm的高温AlN；步骤三，在第三温度1160
‑
1210℃，反应腔...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖穆人，刘锐森，刘召忠，蓝文新，
申请(专利权)人：江西新正耀光学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：